REDES DA TERCEIRA GERAÇÃO
UMTS
Laurinda Fernandes nº 22317
Letícia Costa nº20605
Tópicos


3G;
UMTS:











Introdução;
Arquitectura;
WCDMA;
Handovers;
Canais de comunicação;
Controlo de potência;
Segurança;
Mecanismo de acesso à rede;
Serviços;
QoS;
Conclusão.
Sistemas Celulares - Evolução
3 G - Objectivos
Oferecer alta qualidade de serviço;
Os terminais móveis podem fazer coberturas de pico, micro e
macro células, sem perdas de sinal.
Suportar vários utilizadores.
Uso em todas as aplicações móveis;
Suportar várias operações de roaming.
Aumentar a flexibilidade na qualidade de serviços.
Alta eficiência e suporte tanto em comutação a pacotes como a
circuitos;
3 G - Terceira Geração
Palavra chave: “Comunicação Multimédia com alta qualidade
de serviço”.
Sistemas 3G: Totalmente digitais.
Características da 3G:

permite envio e recepção de informação em banda larga;

permite alta qualidade de tráfego de voz, de dados, de
vídeo, videoconferência, áudio e de imagem;

Permite acesso a Internet, com possibilidade de fazer
download de músicas e jogos;

alta flexibilidade na comunicação;

Permite serviço de roaming global;

tem um desempenho entre 144 Kbps e 2 Mbps.
3G – Operadoras
Verde-operadoras
de 3g
www.3gtoday.com
Tecnologias 3G




UMTS : Universal Mobile
Telecommunication System
IMT 2000 : International
Mobile Telecommunication
system
CDMA 2000 : Code Division
Multiple Access
W-CDMA : Wideband-Code
Division Multiple Access

Alguns exemplos de
serviços
UMTS- Introdução [1]

O UMTS é um sistema de redes celulares da terceira geração
capaz de fornecer serviços multimédia inovadores face aos
sistemas de segunda geração como o GSM, combinando a
utilização de componentes terrestres e de satélite.

Faixas de funcionamento:

para operação em modo FFD (Frequency Division Duplex)



1920-1980 MHz -> uplink
e 2110-2170 MHz ->downlink
para operação em TDD (Time Division Duplex).


1900-1920 MHz ->uplink
2010-2025 MHz ->downlink
UMTS – Introdução [2]

Com o UMTS é possível enviar e receber
imagens, gráficos, comunicações vídeo,
e outros serviços de banda larga, assim
como serviços de voz e dados, ou
qualquer combinação destes serviços,
fornecendo serviços de multimédia,
directamente a um utilizador móvel,
esteja ele onde estiver.
UMTS – Introdução [3]




As novas tecnologias requerem uma alta taxa de transmissão e
mobilidade nos terminais de modo a satisfazer os utilizadores.
O IMT 2000 forçou-se a criar uma nova interface aérea de modo
a poder incrementar com eficiência a frequência de utilização.
Assim surge WCDMA.
A rede UMTS requer um grande manuseamento de tráfego de
dados.
Os factores considerados para escolher o protocolo de transporte:
 Eficiência da largura de banda;
 Qualidade de serviços;
 Estabilidade;
 Atraso sensível no tempo de utilização;
 Permissão máxima de número de utilizador simultâneo.
UMTS - Características










Débitos variáveis e elevados (até 2Mbit/s);
Serviços assimétricos;
Multiplexagem de serviços;
Qualidade de serviço variável e garantido;
Coexistência e handover com sistemas 2G;
Alta qualidade de serviços;
As taxas de transmissão podem variar entre 144 e 512 Kbps,
alcançando um valor máximo de cerca de 2 Mbps, em uso no
interior de edifícios.
Compatibilidade com o GSM;
UMTS é um sistema real global que abrange os componentes
terrestres e de satélite.
Serviços consistente de roaming via VHE (Virtual Home
Environment)
UMTS- Interface com utilizador

Os terminais móveis UMTS oferecem os
seguintes serviços ao utilizador:





enviar e receber imagens,
gráficos,
comunicações de vídeo,
download de músicas e jogos,
outros serviços de banda larga:


qualquer combinação de serviços de voz e dados,
serviços de multimédia, directamente a um utilizador
móvel, esteja ele onde estiver.
UMTS -Arquitectura da Rede
UMTS – Arquitectura de rede [1]
A rede UMTS consiste nas seguintes arquitecturas:





UE: User Equipment ;
UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network;
CN: Core Network;
UMTS está estruturado de forma modular;
Adopta um modelo semelhante ao modelo OSI;

Ao nível PLMN do UMTS são definidas as seguintes interfaces:





CU: interface eléctrica entre USIM e o EU;
Uu: interface rádio do WCDMA.
Iu: interface que estabelece a ligação entre a UTRAN e a CN;
Iur: Permite realizar softs handovers entre RNC’s distintos;
Iub: interliga o nó B e o RNC
UMTS – Arquitectura de rede [3]


Para uma rede, é necessário que se conheça a localização
aproximada do móvel de forma que seja possível à estação
fazer paging para este equipamento.
lista das áreas do sistema.
 UMTS systems (inclusive satélite)
 Public Land Mobile Network (PLMN)
 MSC/VLR ou SGSN





Location Area
Routing Area (PS domain)
UTRAN Registration Area (PS domain)
Célula
Sub-célula
UMTS - UE

USIM: UMTS Subscriber Identity Module;

Contem dados do utilizador;

Procedimentos e suporte de segurança relativa aos dados do utilizador e à
rede

Tipos de identificação do UMTS:
 IMSI: International Mobile Subscriber Identity
 TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity
 P-TMSI: Packet Temporary Mobile Subscriber Identity
 TLLI: Temporary Logical Link Identity
 MSISDN: Mobile station ISDN
 IMEI: International Mobile Station Equipment Identity
 IMEISV: International Mobile Station Equipment Identity and Software
Number

ME: Mobile equipment: responsável pela transmissão rádio, e pelas
correspondentes aplicações;
UMTS – IC card UMTS

Ele possui várias funções:







Suporte a uma ou mais aplicações (opcionalmente mais de
uma) ;
Suporte a um ou mais perfis do utilizador no USIM ;
Actualização das informações específicas no USIM através
de interface aérea ;
Funções de segurança;
Autenticação do utilizador;
Inclusão dos métodos de pagamento opcionais;
Download seguro de novas aplicações opcionais ;
UMTS - Estrutura do UTRAN
UMTS - Funcionamento da UTRAN






É responsável pela criação e manutenção dos canais
rádio RAB entre os EU’s e a CN.
È formada por vários RNS’s (Radio Network Subsystems).
Os RNS’s encontram-se ligados entre si via interface
Iur (transporte de informação de sinalização e de
dados);
Iur permite a comunicação entre dois RNC’s.
Cada RNS é formado por várias BTS;
A implementação da interface Uu é realizada
mediante a utilização de WCDMA e o mapeamento
dos canais de transporte em canais físicos;
UMTS – UTRAN

Node B tem como funções





Interface aéreo para transmissão e recepção
Modulação e desmodulação
Codificação CDMA
Manipulação de erros
RNC: Radio Network Controler tem como funções








Controlo dos recursos rádio
Controlo de admissão
Alocação de canal
Power control Settings
Controlo de Handover
Encriptação
Segmentação e reassemblamento
Sinalização de Broadcast
UMTS – Core Network [1]

CN: Core Network
 faz a comutação, o roteamento e trânsito
para tráfego de utilizadores.
 contém o banco de dados e tem as
funções de gerir a rede.
 É baseada na rede GSM com GPRS:
 PS Domain;
 CS Domain ;
 IMS;
UMTS - Core Network [2]

Os elementos comutados a circuitos:



MSC: Mobiles services Switching Centre;

VLR: Visitor Location Register;

GMSC:Gateway MSC;
Os elementos comutados a pacotes:

SGSN: Serving GPRS Support Node;

GGSN: Gateway GPRS;
Os elementos comutados a pacotes e a circuitos:



EIR: Equipment Identity Register ;
HLR: Home Location Register;
AUC: Authentication Center ;
UMTS - Core Network [3]
ATM (Asynchronous Transfer Mode) é definido para
transmissão do core UMTS.
ATM Adaptation Layer type 2 (AAL2) permite conexão
comutada a circuitos.
Protocolo de conexão a pacotes AAL5 é desenhado para
entrega de dados.

A arquitectura do Core Network pode mudar quando
novos serviços e características são introduzidas no sistema.
 Number Portability DataBase (NPDB) será usado para
habilitar o usuário a mudar de rede enquanto
mantém seu número de telefone antigo.

Gateway Location Register (GLR) pode ser usado para
optimizar o subscriber handling entre redes vizinhas.
WCDMA (UMTS):Wideband Code-Division Multiple-Access




É um das principais tecnologias para a implementação de sistemas 3G.
É básico em técnica de acesso de rádio proposta por ETSI group Alfa e
especificações finalizado 1999.
A implementação:

muito complexo;

Complexidade de cada algoritmo;
 Complexidade do sistema global;
 Complexidade computacional de um receptor;

Muito versátil;
 Nível de ligação de simulação são 10 vezes mais intensivo que
simulação na 2G actuais;
 Diferentes utilizadores podem transmitir simultaneamente diferentes
taxas de dados ao mesmo tempos;
suportar todos os serviços da 2G e muitas outras novas aplicações e serviços
UMTS - Modelos de operação do WCDMA




FDD: Frequency Division Duplex

2 bandas emparelhadas

Uplink banda inferior 5 MHz

Downlink banda superior 5 MHz

Transmissão simultânea

Apropriado para serviços simétricos
(mesmo débito nos dois sentidos)
TDD: Time Division Duplex

Mesma banda usada para uplink e
downlink 5 MHz

Separação no tempo

Apropriado para serviços
assimétricos
Banda de frequência WCDMA:

1920 MHz -1980 MHz UL

2110 MHz - 2170 MHz DL
Banda de frequência WCDMA mínima
requerida:

~ 2x5MHz
UMTS Handover

No UMTS existe duas razões para a realização de handover:



Qualidade de sinal: Neste caso é realizado o handover quando a QoS ou nível de
potência não cumprem os critérios impostos pelo RNC. Pode ser aplicado tanto no
uplink como no downlink.
Tráfego: Neste caso o handover pode ser despoletado quando o limite de
capacidade de uma célula está próximo de ser atingido. Nesta situação o UE comuta
para outra célula sujeita a menor carga. Este handover permite obter uma distribuição
mais uniforme do tráfego através das células que formam o sistema. Éste handover é
executa pelo MSC.
São possíveis os seguintes tipos de handover:






Intra BS ou intra células (softer handover)
Inter BS, incluindo soft e hard handover
Inter RNC incluindo os tipos de handover hard, soft e soft-softer.
Inter MSC
Inter SGSN (Serving GPRS Support Node)
Inter system
UMTS – Handover [1]



Soft handover: entre 2
células (Nó B);
Softer handover : entre
2 sectores da mesma
célula (Nó B);
Hard handover: entre
frequências ou sistemas
diferentes;
UMTS – Tipos de Canais
UMTS – Canais de transporte

Os canais de transporte
encontram-se divididos em duas
categorias:

Canais dedicados
 DCH( Required Transport
Channel):
 Transportam a
informação proveniente
de níveis superiores,
relativa a um
determinado utilizador;
 Este tipo de canal está
associado ao controlo de
potência, adaptação de
ritmo de transmissão e
soft handover.


Canais comuns:
 BCH (Broadcast Channel)
 FACH( Forward Acess Channel)
 PCH (Paging Channel)
 RACH ( Random Acess Channel)
 CPCH( Uplink Common Packet
Channel)
 DSCH( Downlink Shared
Channel)
Os canais essenciais para operação
de rede são o RACH, FACH e PCH
UMTS – Canais de transporte comuns[1]
BCH



Usado para transmitir
informação específica para rede
UTRA ou para determinada
célula.
Para abranger a totalidade de
UE’s presentes na célula, este
canal transmite com uma
potência mais elevada que os
outros canais
O ritmo de transmissão é baixo
para garantir a compatibilidade
com todos os terminais.
FACH

Canal de downlink responsável
pelo transporte de informação
de controlo relativa ao
posicionamento de UE dentro
de uma célula.

Canal com ritmo de transmissão
baixo

Não tem associado controlo de
potência rápida.
UMTS- Canais de transporte comuns [2]
PCH

Canal existente no downlink
que transporta informação
de paging dos UE’s
presentes na rede.
RACH




Canal de acesso aleatório
associado ao uplink.
Transporta toda a informação
de controlo, referente ao
equipamento terminal,
necessária para o
estabelecimento de ligações.
Pode ser utilizada para
transmissão de pacotes entre
UE e BS.
Abrange toda a área de
cobertura de uma célula.
UMTS – Canais de transporte comuns [3]
CPCH




Canal existente no uplink;
Extensão do RACH e é utilizado
para a transmissão de pacotes.
O seu equivalente no downlink
é o FACH.
Do ponto de vista ao nível físico,
o canal é constituído:




Mecanismo de detecção de
colisões;
Controlo de potência rápido;
Procedimentos de
monitorização;
Número de trama associada ao
processo de transmissão.
DSCH



Transmite dados de utilizador
e/ou dados de controlo e pode
ser partilhado por diversos
utilizadores.
Suporta ritmos variáveis e
controlo rápido de potência.
Pode ser associadas várias
técnicas de diversidade em
associação com o canal DCH
UMTS - Controlo de potência
O controlo de potência é realizado a uma frequência de 1500 Hz.
Existem dois mecanismo de controlo de potência:
Open_Loop Power Control (OPLC);
Closed Loop Power Control (CLPC);
UMTS – Controlo de potência OLPC







Este mecanismo é usado para ajuste de potência no uplink e downlink.
É usado para ajustar a potência de transmissão no canal físico de
acesso.
O MT mede a potência recebida no downlink, para efeitos de estimação
da atenuação introduzida pelo canal e do nível da SIR do sinal
recebido.
Com os dados anteriores ajusta o nível de potência de emissão, de
forma a conseguir-se o valor da SIR (Signal-to-Interference Ratio)
difundido pela BS.
O ajuste de potência é realizado com base na estimativa do nível de
potência do canal CPICH (Common Pilot Channel, canal físico)
associado à BS.
A BS envia periodicamente no canal BCH, os parâmetros de potência
permitidos para a MS que se encontra em standby.
Potência tolerada: ±9 dB e ±12 dB
UMTS – Controlo de potência CLPC

Uplink:



O CLPC ajusta a potencia de transmissão do UE de forma a garantir
um SIR acima do limiar definido pela rede.
A BS gera um comando TPC (Transmit Power Control) de controlo
de potência para ajuste da potência de emissão do UE pretendido.
Como existe várias ligações activas, devido à presença de diversas
estações base, o UE ajusta a potência tendo em atenção os
diversos comandos TPC recebidos:



Se o número comandos forem concordantes no aumento de potência, o
UE aumenta a potência.
Se existir um comando para baixar a potência, UE baixa a potência
Downlink:

A técnica CLPC é também utilizada, mas com alteração dos papéis
entre BS e MS
UMTS - Segurança


A segurança das redes UMTS foram baseadas nas regras de
segurança GSM, algumas foram substituídas e outras
acrescentadas.
As regras que fazem parte da rede GSM:





Autenticação dos subscritores;
Identidade do subscritor é confidencial;
O SIM pode ser removido do terminal;
Encriptação.
Regras acrescentadas pela UMTS:




Alerta quando utiliza uma falsa base station, mesmo que esta
tenha uma autenticação mutua;
A encriptação é feita entre o Nó-B e o RNC.
Os dados são protegidos: atribuição de chave e dados autenticados
pelo sistema;
Mecanismo de melhoramento das características de segurança.
UMTS – Segurança [2]





Network access security(I): conjunto de
características que protegem os utilizadores no
acesso aos serviços 3G e contra aos ataques nos
canais de acesso rádio.
Network domain security(II): conjunto de
características que permite aos nós, no domínio
fornecido, de fazer troca de sinalização segura e se
proteger contra os ataques à rede.
User domain security(III): conjunto de
características que protege o acesso as estações
móveis.
Application domain security(IV): conjunto de
características que protege a comunicação entre o
provedor e o utilizador.
Visibility and configurity of security(V):
conjunto de características que informam o
utilizador quando uma operação e o uso dos
serviços não são seguros.
UMTS – Mecanismo de acesso à rede

Identificação por identidade permanente:
o utilizador é
identificado permanentemente através do IMSI (permanent subscriber identity).
Caso o utilizador não puder ser identificado pelo IMSI, o mecanismo deverá
recorrer ao servidor da rede para que seja identificado pela sua identificação
temporária TMSI. O mecanismo é utilizado quando é a primeira vez que o
utilizador se regista no servidor, ou quando o servidor não consegue recuperar o
IMSI do TMSI. Processo inicia quando a VLR/SGSN pede ao utilizador para
enviar sua identificação permanente, a resposta do utilizador contem o IMSI.
o IMSI também será utilizado na encriptação e na autenticação dos dados.
UMTS – Mecanismo de acesso à rede [1]

Identificação por identidades temporárias: mecanismo
que identifica o utilizador através do TMSI. O TMSI só tem
significado local, ou seja, o utilizador pode ser identificado
apenas numa area local. Fora dessa area o utilizador terá
que ser identificado pela LAI (Location Area Identification) ou
pela RAI (Routing Area Identification) para evitar
ambiguidades.
O VLE (Visited Location Register) regista a identificação do
utilizador, ou seja, o IMSI e o TMSI. O TMSI é usado quando
o utilizador pretende requisitar “paging”, actualizar
localizações, serviços, restabelecer conexões, attachs e
detachs.
UMTS –

Mecanismo de acesso à rede [2]
Processo de
autenticação e
encriptação: O mecanismo
realiza autenticação mútua entre
o usuário e a rede. A rede passa a
conhecer a chave secreta que é
partilhada entre eles, e esta
encontra-se disponível apenas
para USIM e o AuC no Home
environment HE do utilizador.
Este mecanismo é escolhido de tal
forma que mantenha a máxima
compatibilidade com a
arquitectura de segurança GSM
de modo a facilitar a migração
GSM e o UMTS.
UMTS - Serviços Bearer


No UMTS os parâmetros da
classe do serviço bearer,
estão directamente
relacionados com a aplicação
utilizada e tipos de redes
que ligam os terminais da
ligação.
O serviço bearer está
organizado por níveis, assim
cada nível oferece o seu
serviço, utilizando os
serviços disponibilizados
pelos níveis inferiores.
UMTS – Atributos de serviços
SDU: Service Data user
UMTS - QoS


Os serviços de provedor têm como parâmetros de QoS:

Máximo atraso na transferência;

Variação do atraso (jitter);

Taxa de erro de bit;

Tipo de ligação:
 Ponto a ponto;
 Ponto multiponto;
 Unidireccional.
Taxas de transferência alvo:

144 kbit/s – satélite e exterior rural

384 kbit/s – exterior urbano

2048 kbit/s – interior e exterior a curta distância
UMTS – QOS [2]
· Traffic class
Conversational class
Real Time
Streaming
class
Real Time
Fundamental
characteristics
Example of the
application
- Preserve time
relation
(variation)
between
information
entities of the
stream
- Conversational
pattern (stringent
and low delay )
voice
- Preserve time
relation
(variation)
between
information
entities of
the stream
streaming video
Interactive class
Best Effort
- Request
response
pattern
-Preserve
payload
content
web browsing
Background
class
Best Effort
-Destination is not
expecting the
data within a
certain time
-Preserve payload
content
telemetry, emails
Conclusões

Na realização deste trabalho, verificamos que o UMTS é uma
tecnologia multimédia com qualidade de serviço.

Com o UMTS os utilizadores adquirem a vários tipos de serviços
em tempo real.


UMTS é muito genérico, na sua concepção foi criada uma
estrutura modular que suporta as aplicações existentes e
permite uma evolução simples de modo a abranger aplicações
futuras.
O UMTS serve de suporte à 4G.
Referências





www.3gtoday.com;
www.umts-forum.org;
www.umtsworld.com;
www.three.co.uk;
WCDMA for UMTS

Radio Acess Third generation Mobile
Communications

Edited by Harry Holma and Antti Toskala
FIM
OBRIGADA!